王東

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

2020 年，中國(guó)在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)宣布：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。中國(guó)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)（以下簡(jiǎn)稱“雙碳”目標(biāo)）就此提出，在國(guó)內(nèi)國(guó)際社會(huì)引發(fā)關(guān)注，同時(shí)也引發(fā)了各行業(yè)的廣泛討論。石油化工行業(yè)是工業(yè)體系的用能大戶，“雙碳”目標(biāo)的提出，既是對(duì)石油化工行業(yè)提出了更高的要求，又為石油化工行業(yè)的技術(shù)發(fā)展路線提供了方向。

在“雙碳”目標(biāo)提出前，石化行業(yè)對(duì)于能源的利用多以安全穩(wěn)定為基礎(chǔ)，以降低能耗成本為目標(biāo)，建立了蒸汽為主、電能為輔的能源利用架構(gòu)。其中電能的利用主要為泵、風(fēng)機(jī)、攪拌器等電機(jī)用電，對(duì)電源穩(wěn)定性要求較高，多依賴于園區(qū)工業(yè)供電，對(duì)于光伏、風(fēng)電等存在不確定性的綠色電力利用較少。因此“雙碳”目標(biāo)提出后，行業(yè)內(nèi)開始了對(duì)利用綠色電力的研究，提出了將綠色電力嵌入石化用電結(jié)構(gòu)的多能互補(bǔ)方向[1-3]。

本文以石化行業(yè)中一種典型的化工裝置-雙酚A生產(chǎn)裝置為例，結(jié)合其工藝和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，從利用綠色低碳能源進(jìn)行多能互補(bǔ)的角度出發(fā)進(jìn)行了分析探討。

1 研究方法

石油化工裝置設(shè)計(jì)中，電能屬于高品位能源，在同等的能量值消耗下，電能的能耗核算成本屬于最高的一檔?；ぱb置能耗總量大，且對(duì)用電設(shè)備有較高的防爆等級(jí)要求，大規(guī)模的電能利用會(huì)極大提高用電網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備建設(shè)成本，因此在傳統(tǒng)的化工裝置設(shè)計(jì)建設(shè)中，會(huì)傾向于減少用電負(fù)荷，主要使用蒸汽等經(jīng)濟(jì)且穩(wěn)定的傳統(tǒng)能源。然而煤/油鍋爐蒸汽、火電等傳統(tǒng)能源的使用所帶來的碳排放成本日益顯著，隨著諸如風(fēng)電、光伏發(fā)電等綠色可再生能源建設(shè)和使用成本降低，提高綠色電能應(yīng)用比例，進(jìn)行多能互補(bǔ)，成為化工裝置低碳轉(zhuǎn)型的一個(gè)有效途徑。

在雙碳目標(biāo)的總體規(guī)劃下，石油化工多能互補(bǔ)研究探索目前較好的方案是在傳統(tǒng)的蒸汽、電、循環(huán)水等能耗結(jié)構(gòu)中，剖析出如風(fēng)電、光伏電、水電等綠色能源的可利用性?；ぱb置的生命線是安全，因此能源選擇有其特殊性，必須要在滿足裝置本質(zhì)安全冗余的基礎(chǔ)上，才可以在裝置能耗需求中拆解出滿足風(fēng)電、光伏電、水電供能不確定性的高冗余度負(fù)荷。目前關(guān)于綠色電能替代的研究分為園區(qū)供能和裝置用能兩個(gè)層次[4-5]。

關(guān)于園區(qū)多能互補(bǔ)，目前主要是電氣工程領(lǐng)域?qū)υ?網(wǎng)-荷環(huán)節(jié)的能量來源和配電網(wǎng)的研究。在電源側(cè)，分布式發(fā)電、電儲(chǔ)能及綜合能源等技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了配電網(wǎng)能量來源的清潔化和多元化；在電網(wǎng)側(cè)，一次電氣網(wǎng)絡(luò)中的電力電子應(yīng)用、二次信息網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋等因素大幅提升了配電網(wǎng)的可控性和可觀性；在負(fù)荷側(cè)，目前電動(dòng)汽車，家庭儲(chǔ)能站，工業(yè)儲(chǔ)能站的活躍發(fā)展也引發(fā)了業(yè)界的關(guān)注與研究[6]。

對(duì)于裝置用能的多能互補(bǔ)，目前研究較少。傳統(tǒng)化工設(shè)計(jì)能耗結(jié)構(gòu)整體上對(duì)于不確定性的冗余度非常小，若要實(shí)現(xiàn)裝置級(jí)別的多能互補(bǔ)，需要對(duì)具體的生產(chǎn)能耗用戶行為特征進(jìn)行分析，從功能設(shè)計(jì)和工藝安全的角度分析判斷具體用戶對(duì)供能不確定性的冗余。以一種典型的雙酚A 生產(chǎn)裝置為例，分析其各能源用戶特點(diǎn)，并從其能否包容能源功率和時(shí)間不確定性的角度，探討使用風(fēng)電、光伏電能等綠色可再生能源的可能性。從單套化工裝置的角度出發(fā)，挖掘化工裝置單元操作中綠色能源替換潛力。

2 研究對(duì)象介紹

雙酚A，也稱BPA，分子式為C15H16O2，是世界上使用最廣泛的工業(yè)化合物之一，其生產(chǎn)原料苯酚和丙酮來自上游苯酚丙酮裝置，下游主要是生產(chǎn)聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂、聚砜樹脂、聚苯醚樹脂、不飽和聚酯樹脂等多種高分子材料。本研究基于一種離子樹脂法雙酚A 生產(chǎn)工藝。

2.1 化學(xué)原理介紹

雙酚A 通過2 個(gè)苯酚分子與1 個(gè)丙酮分子反應(yīng)獲得，因此被叫做“雙酚A”，反應(yīng)方程式如下所示。

以上反應(yīng)過程均在離子樹脂床反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)溫度約60～ 90℃，壓力控制在0.8～ 1.3 MPa，苯酚過量投料循環(huán)使用，調(diào)節(jié)丙酮加入量控制反應(yīng)進(jìn)程。反應(yīng)整體較為溫和，放熱量較小，因此目前主流的雙酚A 生產(chǎn)工藝在反應(yīng)器均無緊急冷卻設(shè)計(jì)，僅需聯(lián)鎖切斷丙酮進(jìn)料便可終止反應(yīng)。

雙酚A 反應(yīng)生成p，p-BPA 和o，p-BPA 兩種同分異構(gòu)體，其中p，p-BPA 為目標(biāo)產(chǎn)品，特性為在一定的溫度區(qū)間可以和苯酚以1∶1 摩爾比形成加合物結(jié)晶，在苯酚溶液中析出。加合物結(jié)晶可通過離心機(jī)等物理手段分離精制，得到的高純度苯酚/p，p-BPA加合物結(jié)晶，再經(jīng)加熱后可以重新分解為苯酚和p，p-BPA，分離回收其中的苯酚后便可以得到高純度的雙酚A 產(chǎn)品。

雙酚A 裝置生產(chǎn)中苯酚和加合物均需要維持一定溫度，一旦低于結(jié)晶溫度，會(huì)造成管道內(nèi)堵塞等影響正常運(yùn)行操作，因此管道和設(shè)備的伴熱設(shè)計(jì)是雙酚A 生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)關(guān)注的關(guān)鍵要素，詳見表1，這也使得該工藝的伴熱設(shè)計(jì)較為特殊且關(guān)鍵。

表1 苯酚、雙酚A 混合物比熱特性參數(shù)Tab.1 Specific heat parameters of phenol and BPA liquid mixtures

2.2 生產(chǎn)工藝介紹

離子交換樹脂法（簡(jiǎn)稱樹脂法）雙酚A 生產(chǎn)工藝是以酸性陽離子交換樹脂作為催化劑的生產(chǎn)方法。樹脂法催化劑腐蝕性小，設(shè)備管道材質(zhì)要求較低；采用離子交換樹脂固定床反應(yīng)器，無需催化劑回收系統(tǒng)；僅產(chǎn)生少量含苯酚、丙酮的廢水、有機(jī)廢液、廢氣。樹脂法生產(chǎn)雙酚A 工藝的一般過程是過量苯酚和丙酮以一定的摩爾比混合輸入盛有酸性陽離子交換樹脂催化劑的反應(yīng)器中，二者發(fā)生縮合反應(yīng)生成雙酚A、水及副產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物先脫除未反應(yīng)的丙酮、部分苯酚和反應(yīng)生成的水，經(jīng)過結(jié)晶、脫苯酚等步驟對(duì)雙酚A 進(jìn)行精制和提純。最后經(jīng)過結(jié)晶、結(jié)片或造粒等不同的方法處理后得到固體的雙酚A 產(chǎn)品。對(duì)未反應(yīng)的丙酮和過量的苯酚進(jìn)行提純，回收利用。一種BPA 典型流程如圖1 所示。

圖1 一種典型的雙酚A 生產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 A typical BPA production process flow diagram

2.3 用戶能耗行為分析

2.3.1 能耗分析

本文以GB/T 50441—2016《石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定能耗核算系數(shù)，對(duì)某雙酚A 裝置各類能耗進(jìn)行統(tǒng)一折算，能耗百分比分布如圖2所 示。

圖2 一種典型的雙酚A 生產(chǎn)工藝能耗分布圖Fig.2 Distribution of energy consumption of a typical BPA production process

從圖2 可以看出，該雙酚A 裝置生產(chǎn)過程能耗主要由蒸汽，電，氮?dú)夂脱h(huán)冷卻水構(gòu)成。其中：

（1）蒸汽主要是用做換熱器加熱源。蒸汽是在傳統(tǒng)的化工行業(yè)中應(yīng)用最廣的二次能源，是石油化工行業(yè)易得、廉價(jià)、穩(wěn)定的公用工程組成，蒸汽類能耗占比也最大。雙酚A 裝置的原料苯酚和丙酮可以直接從異丙苯法苯酚丙酮裝置獲得，因此通常不單獨(dú)建廠，而是嵌合在苯酚丙酮產(chǎn)品鏈中，蒸汽來源多為依托園區(qū)或工廠集中提供。

（2）電能主要是用于設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電伴熱消耗，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分對(duì)電力穩(wěn)定要求非常高，對(duì)電能不確定性冗余非常??；電伴熱使用的是電流熱效應(yīng)，具有較大的用能優(yōu)化潛力。

（3）氮?dú)獠糠种饕亲鳛槎栊詺怏w消耗，主要由空壓站或園區(qū)集中供應(yīng)，在惰性氣體使用上，氮?dú)鈱儆诜€(wěn)定且易得的選擇，使用其他氣體代替的話難度較 大。

（4）循環(huán)冷卻水主要是換熱器撤熱用，主要由園區(qū)或工廠循環(huán)水場(chǎng)集中供應(yīng)。

2.3.2 裝置用能行為分析

（1）蒸汽和循環(huán)冷卻水

基于目前的石油化工裝置設(shè)計(jì)思路，在裝置界區(qū)內(nèi)使用蒸汽作為熱源進(jìn)行換熱器加熱和使用循環(huán)冷卻水進(jìn)行撤熱仍是最經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定的換熱方式，且工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的裝置對(duì)于換熱器穩(wěn)定操作要求非常高，此處對(duì)裝置本質(zhì)安全設(shè)計(jì)影響頗大，因此進(jìn)行用能優(yōu)化多采用換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等傳統(tǒng)節(jié)能措施，綠色能源如風(fēng)電和光伏發(fā)電直接在裝置層面參與優(yōu)化的空間較小。查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，園區(qū)冷熱動(dòng)力中心和循環(huán)水場(chǎng)可以利用可再生能源驅(qū)動(dòng)的電鍋爐、溴化鋰熱泵，天然氣發(fā)電機(jī)組等進(jìn)行能耗架構(gòu)優(yōu)化[1，3，7]，如圖3 所 示。

圖3 一種典型的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)圖[7]Fig.3 An architecture diagram of a typical integrated energy system in chemical industry park [7]

（2）電能

從圖2 中可以看出，雙酚A 裝置的電能消耗在總能耗中占比不低，分別達(dá)到17.7%，在各類石油化工裝置中屬于高品位用能占比較高的，這為裝置使用風(fēng)電，太陽能等綠色可再生能源替代傳統(tǒng)火電用能提供了用能優(yōu)化空間。根據(jù)電能用戶用能特點(diǎn)，將其按照泵、攪拌器等常規(guī)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)，離心機(jī)（大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備機(jī)組）驅(qū)動(dòng)，電加熱器，電伴熱四類用電進(jìn)行詳細(xì)拆解數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 某雙酚A 裝置電能用戶分析Tab.2 Analysis of electric energy users of a BPA facility

其中：

（1）泵、攪拌器等常規(guī)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)用電穩(wěn)定性要求最高。機(jī)泵常配置備泵，且一般為工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)荷較為固定；攪拌器需維持特定轉(zhuǎn)速以免被攪拌相失穩(wěn)，因此常規(guī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，在裝置層面使用不確定性綠色能源參與供電的難度很大，即便是園區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)對(duì)泵和攪拌器影響也非常大。該部分負(fù)荷需要在配電網(wǎng)環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化，避免不確定性傳導(dǎo)至用戶終端。

（2）雙酚A 裝置按照規(guī)模不同、配備的6～ 8 臺(tái)大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備-離心機(jī)，雖然跟機(jī)泵、攪拌器類似，也需要穩(wěn)定的電能供應(yīng)，但離心機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)質(zhì)量很大，潤(rùn)滑系統(tǒng)正常時(shí)，啟動(dòng)和停機(jī)過程在1 小時(shí)以上，即轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的大質(zhì)量保存的巨大的動(dòng)能儲(chǔ)備，因此諸如供電能源切換導(dǎo)致的瞬時(shí)失電不會(huì)帶來較大的生產(chǎn)波動(dòng)或安全后果，為使用風(fēng)電、光伏在園區(qū)配電網(wǎng)參與功能提供了可能性。

（3）電加熱器主要用于雙酚A 渣油裂解加熱用，雖然用電量只占總用電負(fù)荷2%不到，但其為靜態(tài)設(shè)備，功能原理是使用電熱元件通電發(fā)熱效應(yīng)將裂解對(duì)象介質(zhì)加熱至250～ 300℃，在做好保溫降低熱損失的條件下，對(duì)電源短時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)敏感性較低，具備利用綠色電能和火電互補(bǔ)的潛力。

（4）電伴熱的大規(guī)模使用是雙酚A 裝置較其他大型化工裝置特殊之處。經(jīng)調(diào)研，國(guó)際市占率靠前幾種雙酚A 生產(chǎn)工藝專利技術(shù)持有方如Badger、科思創(chuàng)等，在經(jīng)過數(shù)十年的流程設(shè)計(jì)優(yōu)化和操作穩(wěn)定性經(jīng)驗(yàn)積累后，均選擇了建設(shè)成本較高的電伴熱，而不是化工上常見的較為經(jīng)濟(jì)的蒸汽伴熱。除卻電伴熱施工便捷，伴熱均勻，覆蓋面積更大，操作靈活的優(yōu)點(diǎn)，其使用電熱效應(yīng)進(jìn)行易凝固/結(jié)晶介質(zhì)的溫度維持和升溫，所需電能更注重時(shí)間積分量，而不是微分量即瞬時(shí)功率，因此對(duì)電源的波動(dòng)起伏不甚敏感，在做好隔熱措施時(shí)，短時(shí)間的功能波動(dòng)影響極小。

2.4 綠色能源替代方案

為了確保多能互補(bǔ)優(yōu)化獲得最大的綠色能源替代，需要在多時(shí)間尺度下展開典型場(chǎng)景選取和融合方法研究。以月、日、小時(shí)為單位時(shí)間跨度，充分計(jì)及“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”交互的不確定性（間歇性和波動(dòng)性）過程，生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)規(guī)劃結(jié)合配電網(wǎng)中綠色電源出力規(guī)律，建立不同時(shí)間跨度的綠色能源替代規(guī)劃方案和碳減排日程，優(yōu)化風(fēng)電、光電等綠電配置調(diào)度和儲(chǔ)能管理機(jī)制，盡可能地降低單位產(chǎn)值碳排放指標(biāo)。

2.4.1 年跨度規(guī)劃

圖4 為多時(shí)間尺度下的用電負(fù)荷規(guī)劃，離子交換樹脂法（簡(jiǎn)稱樹脂法）雙酚A 生產(chǎn)工藝在年時(shí)間跨度上有工藝自身決定的時(shí)間規(guī)律。所使用反應(yīng)催化劑不論是陶氏、朗盛、漂萊特等專業(yè)催化劑生產(chǎn)商提供的磺酸基樹脂，還是工藝專利技術(shù)方自制的諸如鍵和型離子交換樹脂，使用壽命相對(duì)其他石油化工催化劑來講較短。典型的催化劑更換周期為7～ 9 個(gè)月，個(gè)別性能優(yōu)越的催化劑能夠達(dá)到10～ 12 個(gè)月，催化劑更換操作持續(xù)2 周到1 個(gè)月，這也就使得雙酚A裝置的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)在一年之內(nèi)具有規(guī)律性，即7～ 9 個(gè)月進(jìn)行一次催化劑更換操作。

圖4 多時(shí)間尺度下的用電負(fù)荷規(guī)劃 [8]Fig.4 Electricity load planning on multiple time scales [8]

各家工藝專利技術(shù)考慮催化劑更換這一操作，在設(shè)計(jì)上多采用反應(yīng)器冗余設(shè)計(jì)，即設(shè)有備用反應(yīng)器或切出一臺(tái)反應(yīng)器也可以短時(shí)間支撐滿負(fù)荷生產(chǎn)。因此催化劑的更換一般不會(huì)影響裝置整體生產(chǎn)負(fù)荷，但催化劑更換的過程，需要進(jìn)行苯酚轉(zhuǎn)移，使用大量的熱脫鹽水對(duì)離子樹脂進(jìn)行清洗，使用熱苯酚置換脫除新鮮催化劑濕基運(yùn)輸保存所需的水（脫水操作），過程中需要熱負(fù)荷約4 000 kW，泵功率約28 kW，操作周期約14 天。

雖然催化劑廠商建議在切換反應(yīng)器前的一個(gè)月內(nèi)完成新鮮催化劑的脫水準(zhǔn)備，但相對(duì)規(guī)律有序的生產(chǎn)流程，舊催化劑的卸載與新催化劑的裝填可以提前計(jì)劃調(diào)整，與風(fēng)電、光伏發(fā)電側(cè)供能高峰匹配規(guī)劃。

2.4.2 月跨度規(guī)劃

雙酚A 裝置運(yùn)營(yíng)另一特點(diǎn)是需要定期進(jìn)行結(jié)晶器“融疤”處理。根據(jù)業(yè)內(nèi)操作經(jīng)驗(yàn)，約30～ 45 天便需要對(duì)結(jié)晶器進(jìn)行升溫操作，熔融結(jié)晶器內(nèi)壁積累粘結(jié)的固相。“融疤”過程持續(xù)7～ 10 天，同時(shí)裝置需降負(fù)荷運(yùn)行。雖然裝置產(chǎn)能下降至60%，但融疤過程需要融疤線機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，換熱器加熱升溫，裝置整體能耗為70%左右運(yùn)轉(zhuǎn)，其中下降的30%集中在蒸汽消耗上。雙酚A 裝置產(chǎn)能負(fù)荷周期如圖5 所示。

圖5 雙酚A 裝置產(chǎn)能負(fù)荷周期Fig.5 BPA facility capacity load cycle

基于以上操作規(guī)律，可以利用雙酚A 生產(chǎn)月跨度的負(fù)荷變動(dòng)，與風(fēng)、光、水電的季節(jié)性變化進(jìn)行匹配耦合，增加裝置能耗中綠色低碳能源占比。

2.4.3 日跨度規(guī)劃

日跨度級(jí)別的能耗變動(dòng)一般不會(huì)出現(xiàn)在大型連續(xù)化工生產(chǎn)裝置中，但雙酚A 裝置大規(guī)模的電伴熱使用為此提供了基礎(chǔ)。

目前雙酚A 所用電伴熱多為自限溫伴熱帶，電伴熱負(fù)荷具備主動(dòng)調(diào)節(jié)功能?；诿恳唤M伴熱帶均會(huì)配置獨(dú)立溫度檢測(cè)（RTD）和控制端口，理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠所有電伴熱帶的網(wǎng)絡(luò)化精確管理。

電伴熱帶所覆蓋的管道及其內(nèi)介質(zhì)可以通過伴熱溫控調(diào)整維持溫度，如富苯酚相可在不產(chǎn)生相變的50～ 80 ℃區(qū)調(diào)節(jié)。利用風(fēng)電-光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電伴熱進(jìn)行供電，當(dāng)發(fā)電功率充足時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作，同時(shí)可以將維持溫度調(diào)至較高區(qū)間，將多出需要負(fù)荷的電能供應(yīng)轉(zhuǎn)換為工藝介質(zhì)及管道熱能；當(dāng)發(fā)電功率低于所需負(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，同時(shí)工藝介質(zhì)及管道儲(chǔ)存的熱能釋放，維持溫度降至可控范圍的較低區(qū)間，緊急情況下有充足的時(shí)間窗口啟動(dòng)備用園區(qū)供電（火電）。

雙酚A 管道內(nèi)需維持特定溫度的工藝介質(zhì)如苯酚、雙酚A 等，通過溫度變化吸收或釋放顯熱，形成類似熱量蓄能池。工藝介質(zhì)比熱容典型值在2.1～ 2.3 kJ/kg.℃，如表1 所示，折算下來1 噸液相工藝介質(zhì)升高1℃便可存儲(chǔ)約0.61 kWh 的電能，利用工藝介質(zhì)蓄熱儲(chǔ)能可以有效降低目前配電工程上研究的風(fēng)電-光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的投入。

電伴熱管道的熱損失Q計(jì)算公式如下：

式中Q——管道熱損失，W/m；

t——主管內(nèi)介質(zhì)溫度，℃；

ta——環(huán)境溫度，℃，；

λ——保溫材料制品的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

Do——管道外徑，m；

Di——管道及保溫層內(nèi)徑，m；

α——保溫層外表面向大氣的放熱系數(shù)，W/（m2·K）；

VW——風(fēng)速，m/s，取歷年年平均風(fēng)速的平均值。

以某綜合園區(qū)為算例進(jìn)行計(jì)算，全年的平均氣溫為14.3℃，7 月為一年中最熱的時(shí)間段，平均溫度可達(dá)27℃，1 月最冷平均溫度為0.1℃，全年太陽光照時(shí)間為2 400 h，年平均風(fēng)速為2.1 m/s。根據(jù)園區(qū)所在地的氣候分布條件，將全年分為冬季、夏季和春秋過渡季3 種運(yùn)行場(chǎng)景，對(duì)園區(qū)進(jìn)行風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)容量配置并驗(yàn)證本文所提電能替代的合理性。調(diào)度周期T取24 h，單位調(diào)度時(shí)間Δt取1h。伴熱功率以DN 100 管道，40 mm 保溫厚度為計(jì)算基礎(chǔ)，結(jié)合風(fēng)速估算，結(jié)果如圖6、7、8 所示。

圖6 基于某園區(qū)冬季氣象信息的伴熱功率曲線Fig.6 Heat trace power curve based on winter weather information of a park

圖7 基于某園區(qū)夏季氣象信息的伴熱功率曲線Fig.7 Heat trace power curve based on summer weather information of a park

圖8 基于某園區(qū)過渡季節(jié)氣象信息的伴熱功率曲線Fig.8 Heat trace power curve based on transition season weather information of a park

不同季節(jié)光伏電能的日間功率特點(diǎn)相近，光伏發(fā)電工作時(shí)間集中在日間6:00～ 18:00，且功率高峰一般在8:00～ 16:00，夏日發(fā)電功率最高且日照時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)，冬季發(fā)電功率最低；風(fēng)力發(fā)電的季節(jié)性較強(qiáng)，冬季17:00 至次日7:00 出力，夏季和春秋過渡季節(jié)則多在日夜交替時(shí)出力，如圖9，10，11 所示。

圖9 冬季某園區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電出力分布Fig.9 Distribution of wind-solar complementary power generation output in a park in winter

圖10 夏季某園區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電出力分布Fig.10 Distribution of wind-solar complementary power generation output in a park in summer

圖11 過渡季節(jié)某園區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電出力分布Fig.11 Distribution of wind-solar complementary power generation output in a park in transition season

從電伴熱管道的熱損失Q計(jì)算公式可以看出，環(huán)境溫度越低，風(fēng)速越大，Q值越大；環(huán)境溫度越高，風(fēng)速越低，Q值越小。同時(shí)根據(jù)GB/18710—2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》附錄B 中給出的風(fēng)功率密度計(jì)算方法，風(fēng)功率密度和風(fēng)速的三次方成正比：

式中DWP——平均風(fēng)功率密度，W/m2；

n——在設(shè)定時(shí)段內(nèi)的記錄數(shù)；

ρ——空氣密度，kg/m3；

υi3——第i次記錄的風(fēng)速（m/s）值的立方。

從圖9、10、11 可以看出，通過氣象條件預(yù)測(cè)得到的風(fēng)電和光伏發(fā)電模型，結(jié)合相應(yīng)設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)維持溫度管道和設(shè)備的電伴熱功率網(wǎng)格化管理，雙酚A 裝置電能消耗中27.32%，總能耗的4.91%，可以實(shí)現(xiàn)綠色電能替代。

3 總結(jié)

隨著中國(guó)提出2030 年碳達(dá)峰和2060 年碳中和的愿景，能源體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化迫在眉睫。傳統(tǒng)石油化工裝置用能選擇需要保證工藝的安全穩(wěn)定，對(duì)具有不確定性的綠色可再生能源直接利用有限。隨著近年風(fēng)電、光伏等綠色能源發(fā)電成本和儲(chǔ)能成本的降低，國(guó)家氣象部門對(duì)于風(fēng)能和太陽能的統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)日趨完善，低碳智能配電網(wǎng)研究亦有進(jìn)展，充分挖掘綠色低碳能源在石化領(lǐng)域的可用性值得深入研究討論。

借鑒風(fēng)光互補(bǔ)和虛擬電廠的研究方法，本文嘗試將源-網(wǎng)-荷的負(fù)荷端研究與石化裝置的工藝能耗分析結(jié)合，并以雙酚A 生產(chǎn)裝置為例，對(duì)石化裝置進(jìn)行了用戶特征分析。提出了年、月、日不同跨度的用戶行為特征，并結(jié)合一園區(qū)風(fēng)-光-儲(chǔ)多能互補(bǔ)規(guī)劃系統(tǒng)，提出了雙酚A 裝置的綠色能源替換方案。

綠色電能應(yīng)用場(chǎng)景研究已經(jīng)在汽車行業(yè)引發(fā)了“二次電氣化”的風(fēng)潮，對(duì)于石化行業(yè)來講，綠色能源深度參與的多能互補(bǔ)，既是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，也為產(chǎn)業(yè)升級(jí)進(jìn)步提供了一個(gè)研究方向。